连续管滚筒的结构设计及优化研究
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【摘要】:目前,连续油管技术得到了广泛的应用,主要涉及到从钻井到采油的每个阶段,既在传统作业方面得到长足的进步,又在其他新的作业方面得到飞速的发展,如打捞、测井、注水泥、扩眼、除垢、完井及钻井等。连续油管钻井技术,因其具有高效的钻井、适应性广泛、对环境低污染小以及成本低等特性,逐渐形成了石油钻井技术发展的主流方向。与国外日臻成熟的连续油管技术相比较,国内的相关研究起步较晚,相关技术亟待进行深入的研究。连续管滚筒是连续管作业机的特征装置,其结构型式、尺寸、力学性能等是影响连续管作业机的重要因素。由于连续管滚筒的结构型式比较简单,因此对滚筒装置的研究往往被忽略。实践中,连续管作业存在管体变形、缠绕紊乱、注入头翻转、连续管打滑等现象而导致作业失败;另外,滚筒由于体量过大,也在一定程度上制约了连续管作业机的作业能力。因此,本文通过对连续管在滚筒上的缠绕力学性能研究、滚筒的强度计算、滚筒的结构设计及优化等方面进行综合研究,进而实现滚筒的轻量化设计。本论文的研究对改善连续管作业机的作业性能,提高连续管的工作寿命具有重要的意义。本文首先通过对连续管弯曲内力和连续管在滚筒上的缠绕模型的分析,得到了连续管张紧力的计算方法;在连续管松弛角确定的基础上,得到了连续管在滚筒上缠绕时不同缠绕层数的张紧力和截面轴力。其次,针对连续管缠绕时滚筒的整体受力情况进行了分析,得到了滚筒在工作过程中主要承受了连续管对滚筒筒身的径向压力和对滚筒挡板的轴力压力、连续管的自身重量以及最外层连续管对滚筒的集中力和扭矩作用;并根据材料力学相关计算公式、结合EXCEL办公软件及MATLAB科学计算软件等,对上述载荷进行了计算。再次,根据滚筒的基本作业原理、功能和结构组成,对连续管滚筒的基本结构进行了设计,主要包括滚筒筒芯和挡板的结构设计,并运用SOLIDWORKS建模软件建立了滚筒的三维模型。最后,在滚筒载荷计算及滚筒模型建立的基础上,应用WORKBENCH软件对滚筒模型进行了强度分析,发现滚筒的简身结构有进一步优化的空间。因此,计算壁厚不同的滚筒结构的强度和筒身表面开孔后的滚筒结构强度,确定了滚筒结构优化的最佳方案;分析了滚筒载荷及不同工况对滚筒强度的影响。通过对滚筒强度影响因素的研究,加深了对滚筒的性能的了解,为以后滚筒的深入研究打下基础。本文通过对连续管对滚筒上的缠绕模型的分析及滚筒载荷的计算,在滚筒结构设计建模的基础上,对滚筒的结构进行有限元分析及优化,其主要研究成果如下:(1)通过对连续管在滚筒上的缠绕模型的分析,运用材料力学和数学积分方法推导了连续管弯曲内力的计算公式;运用EXCEL中的单变量计算法得到连续管张紧力的计算方法;(2)通过对滚筒整体受力情况的分析,得到了滚筒所受的主要载荷及其计算方法;并运用材料力学厚壁筒相关公式推导和MATLAB科学计算软件,形成了连续管缠绕在滚筒上时的径向和轴向载荷的计算程序;(3)论文对设计的滚筒模型进行了结构强度分析,并且通过改变滚筒壁厚尺寸和减量孔设计,优选了滚筒的结构尺寸,使得滚筒结构重量最小化,滚筒质量减轻了446 kg,减轻比例达到16.25%。综上所述,本文在对滚筒进行受力分析、载荷计算、结构设计的基础上,运用数值模拟的方法,对滚筒进行了强度分析和优化设计,得到了滚筒结构优化的最佳方案,实现了滚筒轻量化设计的目的,对滚筒结构的深入研究提供了一定的基础。
【关键词】:连续管滚筒 结构优化 有限元数值模拟
【学位授予单位】:长江大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TE931.2
【目录】:
- 摘要4-6
- Abstract6-10
- 第1章 绪论10-19
- 1.1 研究目的及意义10
- 1.2 连续管滚筒的国内外研究现状10-17
- 1.3 主要研究内容及研究思路17-19
- 第2章 连续管缠绕力学行为分析19-32
- 2.1 连续管弯曲内力分析19-25
- 2.2 连续管张力模型分析25-27
- 2.3 连续管张紧力和截面轴力计算27-31
- 2.4 本章小结31-32
- 第3章 连续管滚筒的受力分析及载荷计算32-49
- 3.1 连续管滚筒的整体受力分析32
- 3.2 滚筒所受的径向和轴向载荷的计算32-47
- 3.3 滚筒所受的连续管重量载荷的计算47
- 3.4 滚筒所受的集中力和扭矩计算47-48
- 3.5 本章小结48-49
- 第4章 连续管滚筒的结构设计49-55
- 4.1 连续管滚筒的基本工作原理49
- 4.2 连续管滚筒总成的结构组成与功能49-50
- 4.3 连续管滚筒的结构设计及三维建模50-54
- 4.4 本章小结54-55
- 第5章 连续管滚筒的有限元分析55-75
- 5.1 连续管滚筒有限元模型的建立55-59
- 5.2 连续管滚筒的有限元分析结果59-61
- 5.3 连续管滚筒的结构优化61-71
- 5.4 滚筒强度的影响因素研究71-74
- 5.5 本章小结74-75
- 第6章 总结75-76
- 致谢76-77
- 参考文献77-80
- 个人简介80-81
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,本文编号:299120
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